SceneKit中的物理效果模拟 | 使用Bit-masks检测碰撞

写在前面

本文以一个游戏为例子来讲解，在最前面先介绍一下这个游戏。
整个游戏场景，由如下主要组件构成：

BALL：小球一个，可以通过手机的倾斜，控制其运动
STONE：许多石头，构成的“路径”，小球可以在上面滚动
PEARL：珍珠三颗，小球可以通过碰撞珍珠，增加游戏得分
CRATE：四个箱子，放在STONE上面，避免小球滚出游戏区域
PILLAR：十六根柱子，放在STONE上面，避免小球滚出游戏区域

图1 - 游戏场景截图

游戏规则如下：

点击屏幕任意位置开始游戏
通过手机的motion （重力感应）控制 BALL 在 STONE 上面滚动
PILLAR 和 CRATE 就像公路旁边的护栏一样，可以防止 BALL 冲出 STONE 区域
BALL 可以和 PEARL 发生碰撞，碰撞后 PEARL 消失，游戏得分加一分
一旦 BALL 冲出 STONE 区域，游戏结束

通过控制手机的移动，来控制小球在石头上滚动。

图2 - 通过重力控制小球在石头上滚动

小球可以与柱子和箱子发生碰撞，阻止小球滚出石头区域，如下图所示。

图3 - 通过重力控制小球在石头上滚动

小球和珍珠发生碰撞，得分加一分，如下图所示。

图4 - 小球和珍珠发生碰撞

小球从石头上滑落，游戏结束，如下图所示。

图5 - 小球滑出游戏区域

1. 什么是 Bit Masks（位掩码）？

Bit（位）

Bit，亦称二进制位，指1和0，计算机用它们来表示数字，比如：00101011。

1和0的集合被称为二进制数。每个位代表一个特定的数值，并且从最低有效位到最高有效位反向读取。如果该位为1，则认为该位为 ON，而0表示 OFF。

二进制和十进制数之间的转换

以下是一个8位二进制值的粗略示例，从0开始计数到7：

SceneKit中的物理效果模拟 | 使用Bit-masks检测碰撞_第1张图片

图6：8位二进制值

第一行代表位索引，顺着红色箭头所指的方向，从右侧开始计数，从0到7
第二行显示每个位代表的十进制数值
最后一列将所有 ON 的二进制位对应的十进制数值相加起来，例如，二进制值01010101（其中位0,2,4和6全部为ON，其余全部为OFF）表示计算：64 + 16 + 4 + 1 = 85，所以01010101是十进制 85 的二进制表示

位掩码就是一个二进制的数字。位掩蔽是一种聪明的方式，可以让物理模拟中的所有对象一个二进制的 id 。然后，可以对对象执行按位操作，以快速过滤出哪些对象可以相互碰撞，加速了碰撞检查过程。

2. 类别掩码的使用

2.1 定义类别掩码

类别掩码为对象提供了一个用于碰撞检测的唯一 id。我们再看一个例子，使用的分类掩码如下：

SceneKit中的物理效果模拟 | 使用Bit-masks检测碰撞_第2张图片

图7：应用A的分类掩码列表

所有的对象都被定义了自己的唯一ID，所以在这种情况下不需要担心分组。您的下一个任务是在某个地方定义这些类别掩码。

let CollisionCategoryBall = 1
let CollisionCategoryStone = 2 
let CollisionCategoryPillar = 4 
let CollisionCategoryCrate = 8 
let CollisionCategoryPearl = 16

2.2 Collision masks （碰撞掩码）

开发者通过碰撞掩码告诉物理引擎一些对象被允许相互碰撞。要定义一个碰撞掩码，需要将参与碰撞对象的所有类别掩码添加到一起。

接下来，我们再看一个例子，这个例子中 BALL 可以与除了 PEARL 之外与所有对象发生碰撞：

SceneKit中的物理效果模拟 | 使用Bit-masks检测碰撞_第3张图片

图8：应用A中 BALL 的 Collision masks

你会看到 STONE、PILLAR、 CRATE、PEARL 碰撞掩码都设置为 1，这意味着他们会碰撞 BALL。结合图7，通过如下计算可以确定球碰撞掩码：

CollisionMask = STONE + PILLAR + CRATE = 2 + 4 + 8 = 14

2.3 Contact masks （关联掩码）

关联掩码会告诉物理引擎，给哪些即将发生物理碰撞的对象，关联事件。他们只是触发器，不会自动对物理引擎动态产生任何影响，你将以编程方式响应。可以使用完全相同的方式设置关联掩码，就像使用碰撞掩码一样。

SceneKit中的物理效果模拟 | 使用Bit-masks检测碰撞_第4张图片

图9：应用A中 BALL 的 Contact masks

结合图7，通过如下计算可以确定球关联掩码：

ContactMask = PEARL + PILLAR + CRATE = 16 + 8 + 4 = 28

现在，在代码中，配置 contact mask。

给 BALL 添加属性：

var ballNode:SCNNode!

初始化 ballNode：

ballNode = scnScene.rootNode.childNode(withName: "ball", recursively: true)!
ballNode.physicsBody?.contactTestBitMask = CollisionCategoryPillar | CollisionCategoryCrate | CollisionCategoryPearl

发生碰撞的时候：

func physicsWorld(_ world: SCNPhysicsWorld, didBegin contact: SCNPhysicsContact) {
   
    // 1. contactNode设置为与球碰撞的节点
    var contactNode:SCNNode!
    if contact.nodeA.name == "ball" {
      contactNode = contact.nodeB
    } else {
      contactNode = contact.nodeA
    }
    
    // 2.  如果小球碰撞的是“珍珠”，隐藏“珍珠”
    if contactNode.physicsBody?.categoryBitMask == CollisionCategoryPearl {

      contactNode.isHidden = true
      // ...
    }
    
    // 3. 如果碰到“箱子”或者“柱子”，播放音效
    if contactNode.physicsBody?.categoryBitMask == CollisionCategoryPillar || contactNode.physicsBody?.categoryBitMask == CollisionCategoryCrate {
      game.playSound(node: ballNode, name: "Bump")
    }
  }

3. 扩展

定义分组的类别掩码

除了给对象一个唯一的 id 之外，你还可以将对象分组在一起。

接下来举个例子，以下列表是某应用中中几个类别位掩码示例：

SceneKit中的物理效果模拟 | 使用Bit-masks检测碰撞_第5张图片

图10：应用B的类别位掩码

从图中可以得出：

所有对象被分为两个分组 ---- Bad 和 Good
第 8 位（索引为 7 对应的 bit）设置为 1，表示在 Bad 组中，图中的 Blinky、Pinky、Inky 和 Clyde 属于这个组
同上的方式，第 7 位（索引为 6 对应的 bit）设置为 1，表示在 Good 组中，图中只有 Blue 属于这个组

得知分组规律之后，可以通过按位与运算来筛选对象，示例代码如下：

// 1. 
let good = 64
let bad = 128

let blinky = 129
let pinky = 130
let inky = 132
let clyde = 136

let blue = 65

func testCollision(contactNode: Int){
  if contactNode & bad == bad {
  //   contactNode 分类为 bad
  } else if contactNode & good == good{
  //   contactNode 分类为 good
  }
}

这样，我们就可以将每个node进行分类，在发生碰撞的时候，就可以决定交互了。